ANSYS數(shù)值計算在土木工程中的應用

土木工程結構數(shù)值分析概述（1）現(xiàn)代土木工程結構正向大型化、復雜化方向發(fā)展，需要高精度的結構分析與精確的過程仿真，作為結構設計、施工的基礎；利用數(shù)字技術替代結構整體試驗了解結構受力性能已成為經(jīng)濟、可靠的捷徑；計算力學的發(fā)展為結構數(shù)值分析提供了理論基礎，有限差分法、有限元法、邊界元法…，新算法研究（并行計算、結構優(yōu)化、反問題算法），本構理論的發(fā)展等；計算機科學的發(fā)展為高性能計算提供了條件，三維可視化建模技術、并行大容量計算系統(tǒng)、網(wǎng)絡計算機。概述（2）1991年，美國“國家關鍵技術委員會”提出計算機仿真分析與建模是美國新時期應優(yōu)先發(fā)展的關鍵技術之一；工程研究進入新時期，美國自然科學基金建立機構“GeorgeE.BrownJr.

NetworkforEarthquakeEngineeringResearch(NEES)”，專門從事地震工程研究，集實驗、計算為一體，利用實驗室和寬帶網(wǎng)構建研究平臺。15個裝備先進的大型實驗室+網(wǎng)絡計算系統(tǒng)NEESgrid；數(shù)值分析的實現(xiàn)需要操作者具備良好的計算力學基礎+工程結構知識+分析經(jīng)驗，熟練建模、選擇計算方法、對結果作出正確的解釋是任一項分析所要求的。結構分析對軟件的實用性、準確性和適用性等方面的要求越來越高。工程項目的有限元計算成都市市政中心抗震性能分析某雷達天線塔考慮土-樁-上部結構共同工作自振特性研究福堂水電站調(diào)壓井開挖穩(wěn)定性分析高技術廠房結構微振響應分析成都市政中心4號摟典型平面圖結構總高度72.4m，總寬52.5m，單肢寬13.5m。結構長度134.368m；結構沿x軸對稱，沿y軸嚴重不對稱，豎向布置上采取了一邊退臺、一邊挑出的方案，使重心逐漸向左偏移，各層質(zhì)量、剛度相差較大。層平面圖第一層第十一層第十五層第四層有限元建模桿件單元：BEAM188樓板、墻單元：SHELL181整個模型共為69243個單元、55907個節(jié)點SHELL181混凝土本構關系Saenz公式表示的混凝土應力-應變關系計算中簡化的混凝土本構關系鋼材用兩線型本構模型計算工況模態(tài)分析譜分析中震下彈性時程分析大震下彈塑性時程分析Mises屈服準則+隨動強化模型輸入地震波人工模擬波美國SanFernandoM6.5地震記錄二個分量結構自振周期及振型第一周期1.69s第三周期1.12s第二周期1.54s位移反應最大水平位移和同時刻平均位移比值樓層A1波TH1波TH3波Umax(mm)U0Umax/U0Umax(mm)U0Umax/U0Umax(mm)U0Umax/U013.081.621.913.842.001.923.701.951.90320.110.91.8424.413.61.8023.513.21.78431.717.41.8238.023.61.6137.121.41.73659.833.11.8171.045.11.5770.041.01.71775.841.21.8989.455.41.6188.650.61.751012965.71.9715584.61.8415178.21.931216789.31.872031171.741931021.8814205120.01.702491521.632341391.6815223140.01.592711761.542541611.57層間位移變形形式：頭部彎剪型，尾部彎曲型剪力墻應力反應柱內(nèi)力反應樓層1區(qū)2區(qū)3區(qū)V（kN）V/fcAV（kN）V/fcAV（kN）V/fcA15260.0174780.0273560.02622810.0091350.0082800.02034500.0144460.02610930.07944100.0134460.0267980.05854470.0146050.0353720.035TH1波作用下柱最大剪力及剪壓比

柱等效應力樓板應力反應大震下位移反應4號樓抗震性能分析結論該結構具有較好的抗震性能，中震作用下，結構基本處于彈性狀態(tài)，大震作用下，有足夠的抵御變形的能力，保證不倒塌。中震作用下，結構變形呈彎剪型，無位移薄弱層。剪力墻承擔了85%的總剪力，說明剪力墻布置合理。結構左端剪力墻形成的筒體為薄弱區(qū)域，在中震作用下，局部達到屈服狀態(tài)，應予以加強。柱剪壓比能滿足規(guī)范規(guī)定的小震下的限值，表明柱的抗剪承載力較高。軸壓比均不大于0.7，應力分析表明，柱未見屈服。梁在圓弧端部和與連廊連接的部位出現(xiàn)明顯的軸力，設計時應按偏壓（拉）構件計算雷達竭天線昂塔考買慮土四-樁渠-上驚部結棟構共三同工攏作自股振特妖性研爬究某雷之達天蒼線塔互，高9擔m，半徑3.2火m,采用人蕩工挖孔盈擴底灌繩注樁基昏，共8根樁，柄樁徑1m，承梅臺厚1.3證m，位于命較軟弱麗的地基盡上。因工白藝要襖求需偽要了品解結承構的否自振扇頻率有限北元模踐型采用三吼維實體凈元，上烤部結構鴿單元數(shù)32淋87亭2，節(jié)習點11待39耗21，地基揮、承臺稻和樁單梅元數(shù)178沫65，節(jié)瀉點數(shù)46披25講7。地基倆范圍擋取2.瓣5倍承臺晝直徑，塔四周為粘對稱邊省界，底齒部固定培。分析影工況上部戀結構-土-樁全系按統(tǒng)自振欺頻率分夏析；用彈念簧替凳代土擇模型火自振額頻率過分析貞，彈輩簧剛揉度系覆數(shù)由籃地基善土的么靜力舌分析錦獲得優(yōu)；自振趣頻率恥影響蛙因素圖研究根。工況1聞分析結斑果第一振遣型，f1=1蝴.6捎09質(zhì)3H組z第二振痛型，f2=1奧.6耗09那8H耽z第三振辜型，f3=1.褲961醫(yī)2Hz如不考技慮土的候影響，厘按結構簡基頂固恐定考慮幕第一頻板率為3三2Hz健。工況2董分析結朽果f1=3棋.3頂5H仇zf2=8藏.4霧5H飽zf3=1比6.陷95科Hzf4匆=2述1.絡20講Hzf5=32鮮.74騾Hz工況3蓋分析結侵果12345678910未加固3.358.4516.921.232.734.266.767.5110.7110.8換第一層土3.613.708.7935.950.450.585.788.5118.4125.3樁周加混凝土4.1110.722.341.858.959.793.496.5120.1125.9第二次換土4.454.5610.843.559.159.193.997.4118.5125.5模擬訂不同襖加固杜地基頃情況胳時結呀構的仍自振殿頻率注：第一次躲換土指生（-艙0.3匹—4.準3）m舌的土換飽為混凝合土材料，第二次還換土指垮樁底高恐度1m盈以上的國原土換暴為C1冶5混凝繡土。小結當土夕較軟喚弱時星，土-樁-上部噸結構仿共同儉作用誰效應螞顯著埋，計貢算結絨構的類自振功特性棒應考寒慮土-樁-上部結謊構的共越同工作打；當采用選全模型抄計算結濱構的特竄征值時咱，應正挖確判斷茂結構的矛模態(tài)和糧土局部簽模態(tài)；利用土孕彈簧模過型計算勵特征值懲是可行膚的，但塞要考慮釀合理的未方法確鍬定彈簧艇剛度。福堂水粉電站調(diào)垂壓井開拔挖穩(wěn)定瓜性分析建立三寇維有限朱元模型任，研究臘在自重患荷載作凍用下圍教巖與襯夾砌的受押力和變騎形情況搞，根據(jù)牽現(xiàn)場監(jiān)攤測數(shù)據(jù)族，反演恢初始地哨應力和薪材料參胳數(shù)。利用AN寬SY禽S軟件的亮生死單四元功能叮模擬調(diào)便壓井的余施工開吉挖狀況蓄，以確往定合理切的施工沸順序和膏施工方塵法。分奔析施工設過程圍濃巖的穩(wěn)情定性，砍研究調(diào)造壓井在瘦支護、膝鋼筋混割凝土襯村砌及圍車巖共同甩作用下熄的工作偉性能。工程概巷況福堂貝水電傲站位案于四鉗川省蹤蝶阿壩盛藏族午羌族或自治毯州汶綿川縣肉境內(nèi)桿的岷聯(lián)江干估流上卸，裝益機容跨量36村0M遺W，由首部珠樞紐、燥引水系服統(tǒng)和廠窗區(qū)樞紐崖組成。藥引水隧架洞全長訓約20k冬m，最大鉛引用勞流量25瞇1m3/s；調(diào)壓井傘設計為沖開敞差急動式，團圓形斷述面，內(nèi)滲徑31宮m，深110亦m,為亞硬洲第押一深群井。有限元狡模型圍巖部努分采用卡八節(jié)點施六面體亦單元So功li土d4其5及其狹銳化喝的十究節(jié)點垃四面翁體單叢元Sol跪id9罰2，襯周砌部蟻分采鞏用混倒凝土宋單元Sol旋id6嗚5。模型邊個界條件喉：四周林側立面就采用對娃稱邊界致條件，泛底部采唉用固定象約束。材料分仔兩層：額上部為耀四類巖惱體，下咳部為三新類巖體怕。單元數(shù)693知16、節(jié)略點數(shù)368相03。反演分腦析高程實測應力（MPa）實測位移（mm）計算應力（MPa）計算位移（mm）12303.263.9412608.165.429.696.19127010.627.6012803.484.91實測位蛋移與計均算位移容對比表根據(jù)勘鋸測資料例建議范戶圍取不頸同的參外數(shù)組合杜，利用截現(xiàn)場監(jiān)閣測數(shù)據(jù)煌，反復胳試算、戰(zhàn)反演；反演蠟條件和主要擠考慮象不同怕高程盟后邊飄坡的樂沉降謝為控完制值蜓；確定丟彈性故模量滔為126捷0m高程遠以上E=擔2.弱5G濕Pa，126滴0m高程蜂下部崇為E=7扒GPa。自重糧荷載卻作用劣下結矮構變固形情光況整體結支構變形規(guī)圖Z向芹位移瞎分布欲圖最大粉豎向聲位移習為10.傷8mm，發(fā)纏生在沙后邊孔坡，滾井周茄最大扯豎向受位移6.移5m他m自重斃荷載裂作用眼下襯砌變道形情況井筒偷徑向考位移鍵最大著值6要.1忘9m襯m六，發(fā)旗生在撐后邊炊坡側剝12潛60糧m高盲程往；井定筒環(huán)蒙向位酒移最賴大值樓約5佳mm協(xié)，發(fā)亦生在腿福堂忽溝側結構夢等效傾應力役分布奏圖襯砌找等效擔應力中分布贊圖開挖穩(wěn)飛定性分悼析研究慚隨開奴挖、菊襯砌涼的進圍行，源調(diào)壓櫻井圍傷巖的觀應力完和位裹移的菌變化末規(guī)律自。通過懷對比帥分層框開挖醬圍巖律應力震與位樣移的膊變化土，研趕究不鍛同開塔挖施忠工方腐法對糞圍巖冶穩(wěn)定趟的影襲響。一次開謹挖、一憐次襯砌一次襯腸砌兩層咐開挖壓、兩知次襯面砌未開鬧挖一次開懂挖襯砌1未開嫌挖開挖害1襯砌駛2開挖纖2應用遍生死聲單元開挖分釣析應力青位移結雹果載荷步控制點徑向位移(mm)環(huán)向位移(mm)徑向應力(Mpa)環(huán)向應力(Mpa)未開挖1-3.970.72-0.52-0.4320.70-3.46-0.35-1.6633.28-0.24-0.41-0.2241.343.57-0.29-1.55開挖11-7.260.31-0.04-0.362-0.45-3.37-0.05-0.8630.71-0.39-0.04-0.3540.143.71-0.06-0.94襯砌11-6.920.31-0.06-0.382-0.26-3.31-0.08-0.8830.87-0.39-0.05-0.3740.353.65-0.09-0.96開挖21-7.740.38-0.07-0.392-0.56-3.32-0.09-0.9030.65-0.42-0.09-0.3940.313.51-0.07-0.99襯砌21-7.780.39-0.07-0.412-0.66-3.49-0.10-0.9130.56-0.44-0.09-0.3940.253.48-0.09-0.9912確60徑m高明程截白面控勉制點鈔的應堆力位醋移值融表一次噴性開坐挖時君12蒙60很m高起程截趕面控制點闖的應力漁位移值幸表載荷步控制點徑向位移(mm)環(huán)向位移(mm)徑向應力(Mpa)環(huán)向應力(Mpa)未開挖1-4.000.57-0.52-0.4520.85-3.42-0.32-1.2633.31-0.29-0.41-0.2941.633.44-0.30-1.40開挖11-8.13-1.10-0.04-0.302-0.99-3.55-0.06-0.9030.37-0.39-0.02-0.424-0.403.71-0.05-1.01襯砌11-7.89-1.06-0.06-0.442-0.91-3.47-0.09-0.9530.56-0.50-0.04-0.4740.453.45-0.08-1.01結果鐵分析調(diào)壓次井有瀉限元削分析婚結果這與監(jiān)銀測成各果基掉本相矮符，慈表明廉模型全合理私地模元擬了闖復雜她地形盯對結勸構體攀的影問響。襯砌登的分匪析表來明其歸內(nèi)力尾分布巷不均照勻，謊局部適應力禿較大巾。計混算顯帳示后希邊坡蹤蝶側的盾變形箱較大翻，應檢該加鄰強錨贏固，非進行侮變形鼻監(jiān)測上，以逮防邊討坡滑壤移和腿塌落姻影響擠調(diào)壓廊井的寶正常濾使用級。通過“汽二次開拍挖、襯員砌”與癥“一次掙性開挖治、襯砌賢”的計刪算結果旬對比分移析,表明分搬層開挖援時圍巖址應力、罷應變變蓋化幅度茄相對較浙小,有利柏于圍升巖穩(wěn)羊定。根據(jù)柱現(xiàn)場支監(jiān)測憤數(shù)據(jù)糞，進都行的翠材料愉彈性容模量睡的反政演計桐算，灶所確怕定的丹參數(shù)染能基保本反傅映材辱料的岸性能哲。有吧一定欺的可丙靠度銹。為晃下一源步多輕參數(shù)